David Filipe Serra Henriques Licenciatura em Ciências de Engenharia Eletrotécnica e de

Computadores

Sensores “em movimento"

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Tiago Oliveira Cardoso, Doutor, FCT

Setembro 2015

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Sensores “em movimento”

Copyright © David Filipe Serra Henriques (32229), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade

Nova de Lisboa

A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o direito, perpétuo e

sem limites geográficos, de arquivar e publicar esta dissertação através de exemplares impressos

reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a

ser inventado, e de a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e

distribuição com objetivos educacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja dado

crédito ao autor e editor.

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Agradecimentos

Agradeço ao meu Professor Orientador Tiago por me ter dado motivação para continuar e entregar

tudo a tempo devido.

Agradeço ao Sr. Eng. Rui Henriques, por ajudar na evolução deste projeto, tanto nas ideias como

concretização desta dissertação.

À minha namorada agradeço por me ter ajudar a completar esta fase da minha vida, por me ter

ajudado a ultrapassar os obstáculos e pela paciência que teve ao longo de todos estes anos.

Aos meus pais por me terem dado a oportunidade de poder chegar até aqui, por me ajudarem,

darem tudo sempre que necessitava e estarem sempre presentes em todos os momentos

importantes da minha vida.

Agradeço a meu grande amigo Diogo Joshua por me ter acompanhado e apoiado sempre que

precisei ao fim destes anos todos e a dar-me inspiração para continuar.

Por fim e não menos importante, agradeço também ao meu grande amigo, Ricardo Lima, que desde

o secundário que estamos juntos nesta grande batalha (sempre com piadas e grande ajuda),

inclusive no projeto completo desta dissertação.

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Resumo

A domótica e a Internet das Coisas (Internet of Things – IoT) são dois conceitos que estão a ter

bastante impacto na sociedade e a mudar o seu quotidiano, pelo que o utilizador é mais exigente

na utilização dos seus equipamentos, pretendendo, que sejam mais simples e eficazes.

A IoT é também muito utilizada na vertente da qualidade de vida (verificação da qualidade do ar,

temperatura etc.) pelo que é necessário a utilização de uma rede de sensores de forma que toda a

informação recolhida seja disponibilizada ao utilizador. Os sensores estão ligados a nós da rede de

forma a recolherem informação. Essa rede pode ser constituída por diferentes topologias, sendo

que a mais usual é a rede em Malha, pois no caso de um dos nós deixar de funcionar, a mensagem

é enviada através de outros nós até chegar ao nó principal. O passo seguinte consiste em enviar

toda essa informação para a Cloud, sendo que, nas soluções existentes, é necessário que o utilizador

tenha um ponto fixo (gateway) com acesso à internet. Quando não é possível internet por cabo, a

solução é a utilização de redes sem fios ou a utilização de, por exemplo, um cartão 3G/4G que

implica o pagamento de taxas às operadoras móveis. Estas soluções implicam, na sua grande

maioria uma instalação elétrica para alimentação dos nós dos sensores.

O grande problema surge quando o utilizador não possui nenhum acesso à Internet (no local onde

são instalados os sensores), ou no caso de não existência de nenhuma instalação elétrica para

alimentação dos nós dos sensores.

A solução proposta nesta dissertação consiste na utilização de um telemóvel, de um utilizador

aleatório, como gateway. Assim, um utilizador comum pode ligar os seus sensores onde for

necessário. Esses sensores são configurados Over-The-Air através de uma camada de aplicação do

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dispositivo de comunicação, como por exemplo, o Synapse. Após configuração, os sensores estão

prontos a recolher toda a informação e enviá-la através da rede até ao nó principal. O nó principal

é constituído pelo dispositivo de comunicação referido anteriormente, ligado a um

microcontrolador (Arduino, por exemplo) que tem agregado um leitor de cartões SD e um

dispositivo Bluetooth (BLE). Toda a informação recolhida pelos sensores é guardada no cartão SD

até que um utilizador, com um telemóvel (Smartphone Android com a aplicação desenvolvida

instalada) com o Bluetooth ligado, se aproxime do nó principal. Assim que a ligação é aceite e

estabelecida, a aplicação envia a data mais recente de um sensor específico presente na sua base

de dados na Cloud para o Arduino, permitindo que este apague os dados mais antigos presentes no

cartão e envie, como resposta para o telemóvel, a informação mais antiga recolhida pelo sensor,

atualizando assim a informação.

A aplicação deste conceito pode ser útil quando não existe nenhuma ligação à internet ou quando

um utilizador, por exemplo uma entidade responsável pelo meio ambiente e que seja necessário

inserir sensores numa floresta, para prevenção de fogos. Assim os nós vão enviar toda a informação

recolhida através da sua rede. Posteriormente, cabe ao utilizador escolher um sítio estratégico,

onde saiba que irão passar indivíduos com alguma frequência, de modo a que estes recebam essa

informação para o seu telemóvel.

Palavras-chave: Redes de Sensores sem Fios, Synapse, ZigBee, IEEE 802.15.4, Bluetooth, BLE,

Arduino, Domótica, Internet das Coisas, Gateway, Plataformas Móveis, Cloud

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Abstract

Domotics and the Internet of Things (IoT) are two concepts which are having much impact on our

society and changing our quotidian, making the user much more exigent about their devices, that

means, the devices have to be easier and more efficient for the user.

IOT it’s also used on the life quality (as quality air check, temperature, etc.) and a wireless sensor

network is needed to collect all information passing by the sensors and finally to be showed to the

user. Wireless sensor network, have sensors which are connect to one node of the network. There

are different types of topologies that can be used on that network, which the most common is the

Mesh Network because, if one of the nodes stops working, the message is routed and sent through

other nodes until reach principal node. Next step is send that information to the Cloud which, in

the most used technics, the user has to have one gateway in one fixed point, where the Internet

access has to be available or for other hand, if the Internet access is not available, the user needs

to pay taxes to mobile phone operators, or one fixed point with electric installation to turn on the

devices.

In this thesis, the propose solution is to use one mobile phone instead the conventional gateways,

and with that, the user can put the sensor devices where he wants. These sensors can be uploaded

and configured Over-The-Air by the application layer of the Synapse device. Sensors are ready after

configuration, and they start, at that time, collet and send information through the Mesh network

to the principal node. Principal node has one Synapse device connected to a microcontroller

(Arduino) which has one SD card reader and a Bluetooth (BLE) device. All that collected information

by the sensors is saved on the SD card until an user pass in front of principal node with a mobile

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phone (Smartphone Android with our app installed) and with Bluetooth on. With all these

requirements the Bluetooth and the mobile phone can be connected and the app send the newest

date of one specific sensor on the Cloud database to the Arduino and after that, the Arduino delete

the oldest dates present on the SD card. In response, the Arduino sends to mobile phone the oldest

date collected by the sensor after delete, updating the cloud database.

This concept application can be used when does not exists a wireless or wired connection to the

Internet or when one user want to put his sensors on the forest, and the nodes are going to send

all collected information through the Mesh network. And the user has to choose one strategic place

to put the principal node, which has to be in one place where many people pass in front of that

node, to receive the information of the sensors on their mobile phones.

Keywords: Wireless Sensor Network, Synapse, ZigBee, IEEE 802.15.4, Bluetooth, BLE, Arduino,

Domotics, Internet of Things, Gateway, Mobile Platforms, Cloud

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Índice

1 Introdução ............................................................................................................................ - 1 -

1.1 Enquadramento e Motivação ....................................................................................... - 1 -

1.2 Identificação do problema............................................................................................ - 2 -

1.3 Objetivo ........................................................................................................................ - 4 -

1.4 Projeto IrRADIARE ........................................................................................................ - 5 -

1.5 Organização da Dissertação ......................................................................................... - 6 -

2 Estado da Arte ...................................................................................................................... - 7 -

2.1 Tecnologias sem fios e tecnologias com fios ................................................................ - 7 -

2.1.1 Vantagens e desvantagens ................................................................................... - 7 -

2.1.2 Topologias ............................................................................................................ - 9 -

2.1.3 Tipos de Comunicações sem Fios........................................................................ - 11 -

2.2 Redes de Sensores Sem Fios ....................................................................................... - 17 -

2.2.1 Arquitetura das WSN .......................................................................................... - 19 -

2.2.2 Arquitetura ZigBee e Sinapse.............................................................................. - 21 -

2.2.3 Encaminhamento de mensagens ........................................................................ - 23 -

2.2.4 Segurança ........................................................................................................... - 25 -

2.2.5 Recolha de Energia (Energy Harvesting) ............................................................. - 26 -

2.3 Sensores ..................................................................................................................... - 28 -

2.3.1 Tipos de sensores ............................................................................................... - 28 -

2.4 Plataformas para telemóveis ...................................................................................... - 32 -

2.5 Serviços Web e Cloud ................................................................................................. - 33 -

2.6 Projetos Similares ....................................................................................................... - 34 -

3 Proposta ............................................................................................................................. - 39 -

3.1 Proposta para solução do problema ........................................................................... - 39 -

3.2 Arquitetura do modelo proposto ............................................................................... - 42 -

3.3 Proposta de criação de uma aplicação para PC .......................................................... - 44 -

4 Validação ............................................................................................................................ - 47 -

4.1 Escolha dos métodos de comunicação ....................................................................... - 47 -

4.1.1 Comunicação do nó principal com o gateway .................................................... - 47 -

4.1.2 Escolha do equipamento de comunicação da rede em Malha ........................... - 49 -

4.1.3 Componentes utilizados ..................................................................................... - 52 -

4.2 Comunicação através do Arduino ............................................................................... - 52 -

4.2.1 Informação recebida da rede em Malha............................................................. - 53 -

x

4.2.2 Informação enviada por Bluetooth para o telemóvel ......................................... - 54 -

4.3 Programas desenvolvidos em Python ......................................................................... - 58 -

4.3.1 Interface com o utilizador – Registo ................................................................... - 58 -

4.3.2 Login e registo de sensores ................................................................................. - 59 -

4.3.3 Comunicação entre Arduino e Synapse .............................................................. - 61 -

4.4 Consumo e especificações .......................................................................................... - 63 -

4.4.1 Bluetooth ............................................................................................................ - 65 -

4.4.2 Synapse ............................................................................................................... - 67 -

4.4.3 Arduino UNO ...................................................................................................... - 69 -

4.5 Resultados da validação ............................................................................................. - 71 -

4.5.1 Montagem do protótipo ..................................................................................... - 71 -

4.5.2 Comunicação com o Serviço Web ....................................................................... - 72 -

4.5.3 Teste de operação .............................................................................................. - 74 -

4.5.4 Teste de expansão .............................................................................................. - 76 -

5 Conclusões e Trabalhos Futuros ......................................................................................... - 79 -

5.1 Conclusões .................................................................................................................. - 79 -

5.2 Trabalhos Futuros ....................................................................................................... - 81 -

Bibliografia ................................................................................................................................. - 83 -

Anexo ......................................................................................................................................... - 87 -

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Índice de Figuras

Figura 2.1- Tipos de Topologias .................................................................................................. - 10 -

Figura 2.2 - Comunicação sem fios ............................................................................................. - 12 -

Figura 2.3 - Canais com separação entre portadoras ................................................................. - 15 -

Figura 2.4 - Exemplo tipo quando um nó deixa de funcionar ..................................................... - 17 -

Figura 2.5 - Arquitetura de acordo com o Modelo OSI ............................................................... - 19 -

Figura 2.6 - Semelhanças do modelo OSI utilizadas no ZigBee ................................................... - 21 -

Figura 2.7 - Arquitetura Synapse ................................................................................................ - 22 -

Figura 2.8 - Algoritmo AODVjr .................................................................................................... - 23 -

Figura 2.9 - Algoritmo utilizado pelo Synapse ............................................................................ - 24 -

Figura 2.10 - Modelo comum de Recolha de Energia ................................................................. - 27 -

Figura 2.11 - Modelo de Recolha de Energia .............................................................................. - 27 -

Figura 2.12 - Evolução na utilização da Rede de Sensores ......................................................... - 28 -

Figura 2.13 - Tipos de Sensores (Termopar, RTD, Termístores respetivamente) ....................... - 30 -

Figura 2.14 - Sensor UV .............................................................................................................. - 31 -

Figura 2.15 - Sensor de Monóxido de Carbono .......................................................................... - 31 -

Figura 2.16 - Conceito Coud ....................................................................................................... - 34 -

Figura 2.17 - Produto Valarm com a utilização de um telemóvel como gateway ...................... - 35 -

Figura 2.18 - SensorCloud com um gateway (necessário ligação à internet) ............................. - 36 -

Figura 2.19 - Libelium com um gateway ligado por cabo ou sem fios (necessário ligação à internet)

................................................................................................................................................... - 37 -

Figura 3.1 – Comunicação entre a rede, dispositivo e sensor .................................................... - 39 -

Figura 3.2 - Comunicação entre a rede, dispositivo de comunicação e gateway ....................... - 41 -

Figura 3.3 - Arquitetura .............................................................................................................. - 43 -

Figura 4.1 - Adaptadores para o Synapse ................................................................................... - 52 -

Figura 4.2 - Shield para Arduino, Synapse e Cartão SD ............................................................... - 52 -

Figura 4.3 - Fluxograma visto do Arduino ................................................................................... - 57 -

Figura 4.4 - Registo de um novo utilizador ................................................................................ - 58 -

Figura 4.5 - Pedido a um serviço web ......................................................................................... - 59 -

Figura 4.6 - Bluetooth TinySine .................................................................................................. - 65 -

Figura 4.7 - Synapse RF200P81................................................................................................... - 67 -

Figura 4.8 – Módulo para ATmega328P ..................................................................................... - 70 -

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Figura 4.9 - Protótipo ................................................................................................................. - 71 -

Figura 4.10 - Exemplo de um registo de um novo utilizador ...................................................... - 72 -

Figura 4.11 - Web Site criado na dissertação Ponto de Acesso Móvel em Ambiente Sensorial . - 72 -

Figura 4.12 - Diferenças de um utilizador particular (lado esquerdo) e de uma organização (do

lado direito) ................................................................................................................................ - 73 -

Figura 4.13 - Exemplo da adição de um novo sensor ................................................................. - 73 -

Figura 4.14 - Ficheiro .txt que representa os valores recebidos da rede de sensores ................ - 74 -

Figura 4.15 - Exemplo da atualização do cartão SD (envio de dados na aplicação Android) ...... - 75 -

Figura 4.16 - Exemplo da receção de dados enviados pelo Bluetooth ....................................... - 76 -

Figura 4.17 – Diretorias criadas no cartão SD com formato YYYY/MM/DD/HH ......................... - 77 -

Figura A.1 – Tabela de comparação de dispositivos Synapse ..................................................... - 87 -

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Índice de Tabelas

Tabela 2.1 – Frequências típicas da camada física ..................................................................... - 21 -

Tabela 2.2 - Comparação da utilização de sistemas operativos nos Smartphones ..................... - 32 -

Tabela 4.1 - Tabela de comparação de tecnologias para gateway-Arduino (1) ......................... - 48 -

Tabela 4.2 - Tabela de comparação de tecnologias para gateway-Arduino (2) ......................... - 48 -

Tabela 4.3 - Tabela de comparação de tecnologias para a rede em Malha ............................... - 50 -

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Acrónimos

AES Advanced Encryption Standard

AODV Ad hoc On-Demand distance Vector

BLE Bluetooth Low Energy

CDMA Code Division Multiple Access

CSMA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance

DYMO Dynamic MANET On-demand

GSM Global System for Mobile communication

HSPA High Speed Packet Access

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IoT Internet of Things

JSON JavaScript Object Notation

MAC Media Access Control

OSI Open Systems Interconnection

RF Radio Frequency

RPC Remote Procedure Call

RTD Resistive Temperature Detector

SDK Software Development Kit

SNAP Synapse Network Application Protocol

SSL Secure Sockets Layer

TKIP Temporal Key Integrity Protocol

WDSL Web Services Description Language

WEP Wired Equivalent Privacy

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WPA Wi-Fi Protected Access

WPAN Wireless Personal Area Network

WSN Wireless Sensor Network

WWAN Wireless Wide Area Network

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- 1 -

1 Introdução

1.1 Enquadramento e Motivação

Cada vez mais a Internet das Coisas (Internet of Things – IoT) é mais utilizada nos dias de hoje. [1]

A populoção quer ter os seus gadgets, eletrodomésticos, casas, carros, etc. ligados à internet de

modo a obter a mais vasta informação dos mesmos, controlando melhor o seu quotidiano e tendo

acesso a toda essa informação em qualquer lado e instante.

Para que tal seja possível, na maior parte dos casos, é necessário uma rede de sensores sem fios

(Wireless Sensors Network – WSN) que recolhe toda a informação necessária e útil para o utilizador,

que posteriormente, com uma ligação à internet, a informação ficará disponibilizada na Cloud, mais

propriamente, num servidor que guardará os dados referentes aos sensores.

As WSN são uma área em pesquisa que tem tido um rápido e desejado crescimento, de modo a

tornarem-se cada vez mais uma tecnologia de baixo custo e escalável. Muitos protocolos e

algoritmos foram propostos para a rede de sensores [1] e cada vez são mais as áreas de interesse

na sua utilização nas mais diversas aplicações, como por exemplo: [2]

Saúde – controlo de administração de medicamentos no hospital, monitorização dos

médicos e dos doentes;

Militar – monitorizar forças amigas, reconhecimento de terreno inimigo, reconhecimento

de ataque nuclear, biológico ou químico;

Segurança – intrusão, deteção de movimento, perseguição;

- 2 -

Ambiente – deteção de fogo, chuva, temperatura, deteção de inundação, humidade,

qualidade do ar;

Habitações – ambientes e casas inteligentes, temperatura de cada divisão da casa, controlo

de eletricidade e fluxo de água.

Os sensores da rede podem ser constituídos por diversos tipos, como por exemplo, de temperatura,

humidade, movimento, pressão, intensidade de luz, ruido, deteção de presença de um

determinado objeto, deteção da velocidade, direção/tamanho/aceleração de um objeto, etc..

Esta dissertação foi realizada com a parceria da empresa IrRADIARE. A IrRADIARE é uma empresa

que trabalha mais para a vertente da monitorização urbana, redução de custos energéticos,

otimização no processo de segurança, proteção do ambiente, entre outras.

O projeto foi dividido em duas partes:

a parte de mais baixo nível – incluindo os sensores, a rede de sensores e a comunicação

com um gateway (neste caso um dispositivo móvel);

a parte de mais alto nível – incluindo o gateway, web site e toda a parte envolvente do

processamento dos dados na internet, feita pelo colega José Ricardo de Lima Abrantes,

Ponto de Acesso Móvel em Ambiente Sensorial.

1.2 Identificação do problema

A tecnologia tem vindo a tornar-se uma dependência e tem criado uma melhor qualidade de vida

para vários utilizadores. A utilização da Internet nos mais diversos equipamentos tem tido uma

vasta procura, nomeadamente em aparelhos elétricos ou eletrónicos, permitindo que o utilizador

possa ter acesso a toda informação dos mesmos em qualquer lugar e instante. É neste tópico que

foi desenvolvida esta dissertação – Sensores “em movimento”.

A utilização desses sensores não passa só pelo entretenimento do utilizador, ou seja, não está

relacionado somente em controlar a que a temperatura está a sua casa regularmente, ver o número

de vezes que entra e sai de casa, etc.. Existem muitas outras aplicações que, ao serem utilizados os

sensores, podem ajudar o meio em questão, como por exemplo, na deteção de um incêndio ou no

controlo da qualidade do ar.

- 3 -

Foram propostas várias soluções de conseguir obter informação através de sensores, e torná-la

acessível em qualquer local, disponível a qualquer momento, sendo que todas elas possuem seus

prós e contras.

Uma das propostas frequentemente utilizada é a aplicação de uma rede em Malha (Mesh) de

sensores permitindo que comuniquem e recebam todos os dados necessários para posteriormente

serem entregues ao sensor principal/coordenador. Posteriormente existem algumas formas de os

dados serem disponibilizados na internet, ou mais concretamente na Cloud. A solução mais utilizada

é uma ligação direta à rede, por cabo Ethernet, em que os dados são recebidos, tratados e enviados

para a Cloud, ficando posteriormente disponíveis ao utilizador. Este método torna-se um problema

quando os edifícios ou locais, onde será necessária a utilização destes equipamentos, não possuem

uma ligação Ethernet próxima. Sendo assim a melhor solução a utilização de redes sem fios

(Wireless). Fica assim possível a instalação de sensores noutros locais (menos acessíveis),

permitindo a receção dos dados na Cloud assim que a ligação a um Encaminhador (Router) esteja

estabelecida.

Volta a existir um outro problema no caso de existir um corte de corrente elétrica no edifício onde

o Encaminhador estava instalado, assim, os dados que supostamente eram para ser recebidos, são

perdidos se o sensor coordenador não possuir nenhuma forma de corrigir este problema de ligação.

Por exemplo, a colocação de um dispositivo que proceda ao armazenamento dos dados

(juntamente com uma bateria auxiliar para estes continuarem em funcionamento) e

posteriormente que envie os dados em falta.

Existe ainda um outro problema quando nenhum dos equipamentos, anteriormente referidos,

estetão disponíveis, ou seja, tanto a ligação Ethernet bem como a ligação sem fios (Wi-Fi) a um

Encaminhador não estão diretamente acessíveis, como é o caso de uma herdade com grande

dimensão, ou num parque onde se pretende avaliar a quantidade de humidade presente no solo,

permitindo saber se será mesmo necessário proceder à rega. Para corrigir este problema, pode

existir a possibilidade da colocação de um cartão que estabeleça uma ligação 3G ou 4G (formas de

comunicação móveis), garantindo assim a comunicação com a internet de forma a atualizar os

dados na Cloud. Isto implica que, por cada sensor coordenador instalado, o utilizador estará

dependente das tarifas que a operadora lhe cobrar por cada cartão.

Revendo todos os factos atrás referenciados, verificou-se que existe um problema de como se pode

garantir que os dados dos sensores instalados pelo utilizador cheguem ao seu destino de forma

económica e de fácil implementação.

- 4 -

1.3 Objetivo

Existe um problema de fazer chegar os dados ao utilizador de forma económica e de fácil

implementação. O objectivo desta dissertação é encontrar um gateway (ponto de acesso) entre os

sensores e a Cloud que permita que o próprio receba dados de sensores e posteriormente os

disponibilize ao utilizador, sem que tenha como requisito principal, um ponto fixo que internet ou

alimentação.

Os sensores estão ligados numa rede em Malha (capítulo 2.1.2) incluindo Dispositivos Finais,

Encaminhadores e Coordenadores. Assim a informação é passada dos Dispositivos Finais para os

Encaminhadores que irão escolher o melhor caminho para enviar toda essa informação para o

Coordenador. Estes módulos têm uma bateria acoplada para que o posicionamento dos mesmos

não esteja limitado, ficando independentes de uma instalação elétrica. A escolha destes módulos

devem de cumprir alguns requisitos como baixo custo e baixo consumo de energia, de modo a que

o utilizador não tenha que mudar frequentemente as baterias dos dispositivos. Irá ser utilizado o

protocolo IEEE 802.15.4 para a comunicação entre os dispositivos pois este protocolo está bastante

otimizado e cumpre os requisitos necessários. Os dispositivos têm que cumprir requisitos, como é

o caso do consumo, alcance e baixo custo, pois é pretendido que o utilizador desta rede de sensores

possa usufruir da mesma sem grandes intervenções.

Depois de escolhido como os sensores se irão interligar, o desafio é enviar os dados dos sensores

para a Cloud. O Coordenador comunicará através de um gateway enviando uma informação de

forma a saber se o mesmo permite receber dados recolhidos pelos sensores que estão no local

onde se encontra. Assim, quando estabelecida a ligação entre o gateway e o dispositivo principal,

são enviadas pequenas quantidades de dados e que quando este estiver conectado à internet

enviará os dados recebidos para a Cloud.

Mas como se terá garantia que não se perderá informação? E se o gateway naquele momento

recusar a receção dos dados? E se ninguém se aproximar do sensor durante muito tempo, a

informação será perdida? E como tornar esse gateway um ponto não fixo?

Este será o objetivo deste projeto.

- 5 -

1.4 Projeto IrRADIARE

Os sensores estão diretamente ligados por cabos a dispositivos que regularmente recebem

informação dos mesmos, sendo esses dispositivos módulos de comunicação sem fios. Essa

informação passa de dispositivo para dispositivo dentro da rede de sensores até chegar ao

dispositivo principal. Esse dispositivo é responsável por agrupar todas essas mensagens e

armazená-las. Este tem acoplado um dispositivo de comunicação, que servirá para comunicar com

o gateway.

Quando um utilizador se aproxima do dispositivo principal, com um gateway, este envia um pedido

de conexão, caso o utilizador assim o permita e tenha a aplicação necessária instalada no seu

gateway, a ligação é estabelecida. Essa aplicação, envia uma mensagem com a data mais recente

contida na base de dados e, assim, o dispositivo principal procura todos os dados, anteriores a essa

data, existentes no cartão e elimina-os (uma vez que já se encontram na base de dados na internet).

De seguida, o dispositivo principal, procura no armazenamento interno, a data mais antiga para

proceder ao envio dos dados para o gateway. Após o envio, desliga a conexão e retoma o processo

anterior de recolha de dados dos sensores.

O gateway, caso não tenha uma ligação à internet, é armazenado na sua capacidade interna, o

ficheiro completo com os dados recolhidos (estes dados não ficam acessíveis ao utilizador). Quando

existir uma ligação à internet, o gateway envia os dados para uma aplicação que está em

funcionamento no servidor, usando uma tecnologia que vai tratar os dados e verificar na base de

dados se essa informação já existe (os dados são enviados várias vezes para diferentes gateways e

para a aplicação no servidor, até se garantir que esses mesmos dados já se encontram no servidor,

sendo essa confirmação, a mensagem enviada para o dispositivo principal com a última data

encontrada no servidor). Por fim os dados ficam acessíveis ao utilizador, através de uma página de

internet, esses são recolhidos por serviços da base de dados anteriormente referida.

Com o desenvolver de todo o projeto demonstrado nesta dissertação o maior contributo está

relacionado com a facilidade que o utilizador poderá ter em colocar os seus sensores, sendo que:

O utilizador não fica dependente de pontos fixos ou pontos onde seja necessário ter

cobertura de internet;

O conceito pode ser usado por exemplo numa floresta, podendo prevenir incêndios;

- 6 -

De acordo com a empresa IrRADIARE a sua utilização poderia vir a ser feita para substituição

de grandes centrais de sensores da qualidade do ar, ou usado em centros históricos, pois

não é necessário mais nenhum recurso para além dos sensores.

1.5 Organização da Dissertação

Esta dissertação está dividida em seis capítulos, sendo eles:

Introdução – É demonstrado qual o problema existente aquando de uma utilização de uma

rede de sensores e um gateway, referindo o objetivo deste projeto e uma breve solução. É

também aqui descrito, de forma resumida, o funcionamento de todo o projeto (incluído

nas duas dissertações);

Estado da Arte – É dado a conhecer todos os termos e pesquisas presentes nesta

dissertação. É falado de todas as escolhas que estiveram em causa a sua utilização, bem

como o fundamento teórico do funcionamento das escolhas principais;

Proposta – Demonstração da criação do projeto, referindo como vai funcionar cada

dispositivo. Contém a arquitetura da proposta bem como os diagramas de comunicação

entre dispositivos;

Validação – Descrição e justificação das escolhas dos equipamentos para o projeto. Para

facilitar a compreensão estas escolhas forma feitas e demonstradas através de tabelas.

Consumos teóricos, de modo a dar a previsão da duração das baterias. E, por fim

apresentação de todo o conceito e justificações para os erros obtidos durante a realização

do projeto. Os resultados são apresentados através de imagens;

Conclusões e Trabalhos Futuros – Apresentação das conclusões com recomendações a

serem realizadas no projeto, pois para ser um produto final é necessário algumas

alterações, de forma a torna-lo mais eficaz e eficiente;

Bibliografia – Referências bibliográficas.

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2 Estado da Arte

2.1 Tecnologias sem fios e tecnologias com fios

Existe cada vez mais impacto na evolução e na utilização de equipamentos sem fios. Mas quais

serão as suas vantagens e desvantagens? Quão vantajoso é para prescindir de uma ligação com

fios?

2.1.1 Vantagens e desvantagens

Assumindo um exemplo comum: uma ligação de dois computadores à mesma rede (LAN – Local

Access Network – Rede de Acesso Local). Se a ligação dos dois for estabelecida por cabo, geralmente

é necessário um hub, switch ou encaminhador e dois cabos Ethernet para poderem partilhar a

mesma ligação, tendo que os dois computadores permanecerem fixos num único lugar. Se a ligação

for feita sem fios com tecnologia Wi-Fi (por exemplo), os utilizadores podem colocar os seus

computadores em qualquer outro local (limitado pelo alcance dos mesmos).

Um caso mais genérico, por exemplo, nas tecnologias com fios, esta ligação pode ser feita por um

hub ou switch (caso se pretenda ter mais do que um dispositivo ligado à mesma rede pois, por

vezes, o encaminhador não tem terminais suficientes para mais do que um dispositivo) onde

anteriormente estará ligado a um encaminhador para permitir que esse mesmo dispositivo tenha

acesso à internet. Nestas tecnologias, na sua maioria, os componentes pelos quais são compostos

são mais baratos do que comparativamente com as redes sem fios, bem como um baixo consumo

- 8 -

de energia, pois existe muita potência dissipada pelas antenas multidirecionais nas redes sem fios.

A ligação com fios é também mais segura, visto que não existe transmissão de dados pelo ar, o que

dificulta a sua interceção por piratas informáticos (hackers). No caso da ocorrência de um problema

na ligação, com esta tecnologia é mais fácil a sua deteção, pois se existir uma ligação de A para C

passando por B, e se A e B tiverem acesso à internet e C não, facilmente se pode concluir que o

problema estará no cabo que os une ou possivelmente o dispositivo C poderá não estar nas

melhores condições.

Algumas das limitações das tecnologias com fios está relacionada com a ligação física entre dois

dispositivos, o que dificulta a deslocação/alteração do local onde esses dispositivos possam ser

colocados, visto que, frequentemente, os cabos, switchs e encaminhadores têm que estar fixos.

Existe também um outro problema que corresponde à potência dissipada nos cabos, caso a

distância da ligação de um dispositivo para outro seja significativamente grande.

As tecnologias sem fios têm uma maior flexibilidade na instalação dos equipamentos, o que permite

ter um maior alcance, onde possivelmente os dispositivos que necessitam de uma rede com fios

não poderiam ser instalados. Isto evita a passagem de cabo e calhas na parede. Ainda assim esta

tecnologia está dependente de um único ponto com ligação com fio, sendo que é necessário que

um dos encaminhadores tenha uma ligação direta à internet. Após esta ligação todos os outros

dispositivos, desde que estejam ao alcance da rede, podem conectar-se à internet. Os componentes

deste tipo de tecnologias são um pouco mais caros e consomem mais energia do que nas redes com

fios. As ondas de rádio emitidas por estes equipamentos, por trabalharem na mesma banda de

frequência que outros equipamentos, como o Bluetooth, podem fazer com que por vezes ocorram

interferências com os mesmos. Neste tipo de ligação, a segurança e a qualidade de serviço por

vezes é relativamente baixa pois, as ligações podem ser intercetadas por piratas informáticos. Existe

ainda um outro problema, pois esta tecnologia não contorna obstáculos que, no caso de existirem

paredes sucessivas, pode fazer com que a informação não chegue ao seu destino ou a intensidade

do sinal seja baixa.

Para tal é necessário reconhecer quais os desafios das WSN para garantir que nada falha no sistema,

como o tipo de serviço, qualidade de serviço, tolerância a falhas, tempo de vida, escalável, vasta

gama de densidades, programável e manutenção.

- 9 -

2.1.2 Topologias

As topologias são normalmente esquemas que definem como é que as ligações das redes vão ser

executadas, incluindo os nós e as ligações entre eles. As topologias, como pode ser observado na

figura 2.1, podem ser caracterizadas pelos seguintes tipos [3]:

Barramento (Bus) – é constituída por uma única ligação, em que todos os dispositivos estão

ligados à mesma. Neste tipo de topologia quando um dispositivo tenta comunicar com

outro, este envia uma mensagem Broadcast para a única ligação (cabo) existente, em que

todos os dispositivos a ele ligado vão conseguir ver a mensagem, mas somente o

destinatário a aceitará e a processará. Como é de esperar esta ligação é bastante fácil de

utilizar mas tem bastantes problemas, como é o caso de, por exemplo, uma ligação que

seja de A para B e posteriormente para C, se a ligação para B não estiver operacional e a

mensagem for direcionada de A para C, então C nunca irá receber essa mensagem;

Anel – cada dispositivo tem dois vizinhos, pois se um deles deixar de funcionar, a mensagem

pode ser enviada pelo outro dispositivo vizinho até ao seu destino. Esta topologia tem

também alguns problemas em termos consistência pois basta uma falha num dispositivo

para que a rede deixar de funcionar corretamente;

Estrela – existe um dispositivo central que troca informação com todos os dispositivos à

sua volta, como é o caso de um switch ou encaminhador. Caso um dos dispositivos ligados

ao dispositivo central falhe, não irá interferir no funcionamento da rede, pois são

dispositivos independentes;

Árvore – várias topologias em estela ligadas em Barramento;

Malha – nesta topologia cada dispositivo tem um algoritmo que reencaminha todas as

mensagens para o dispositivo que estiver: mais próximo, com mais fiabilidade ou com o

caminho mais favorável; isto de acordo com o algoritmo pré-estabelecido. Esta topologia é

importante neste projeto pois quando um dispositivo necessita enviar a sua informação até

ao dispositivo principal e existe algum problema na ligação mais direta então, através do

algoritmo estabelecido, é fornecida uma outra rota/forma de essa informação chegar

corretamente ao dispositivo principal sem comprometer a receção da informação. Será

esta a topologia utilizada nesta dissertação, pois é aquela que melhor satisfaz todas as

necessidades de fluxo de mensagens.

Mais especificamente as redes em Malha pertencem ao grupo de trabalho do IEEE 802.15 e para se

perceber como funcionam este tipo de redes tem que se perceber o quão diferente são das redes

- 10 -

tipicamente usadas para ligar aparelhos como telemóveis e computadores pessoais. Nessas redes

existe apenas um único ponto (HUB) que recebe todos os dados e faz de Ponto de Acesso para os

dispositivos.

Nas redes em Malha os dispositivos estão ligados a encaminhadores, normalmente denominados

por nós, que interligam todos os dispositivos e enviam os seus dados de nó para nó até chegar ao

seu destino final. Mas o que são estes nós e como funcionam?

Os nós permitem que os dados enviados pela rede sejam novamente enviados por esse mesmo nó

para um outro, ou seja, os nós são capazes de receber e enviar dados sempre que necessário. Estes

não são escolhidos aleatoriamente, têm um algoritmo (podem existir muitos algoritmos diferentes,

dependendo da finalidade, fluidez e garantia que se desejar) que determina qual será o próximo nó

para onde terá que enviar os dados. São estes mesmos algoritmos que também detetam quando

um nó deixa de estar disponível ou simplesmente deixar de existir, e assim gerar um novo caminho,

de forma que os dados cheguem ao seu destino sem problemas. Quando se instala um novo nó, a

rede em Malha vai reconhecer que existe um outro caminho que pode seguir e vai integrá-lo na

rede.

Figura 2.1- Tipos de Topologias [3]

- 11 -

2.1.3 Tipos de Comunicações sem Fios

Para um melhor fundamento na escolha da tecnologia utilizada neste projeto, serão apresentadas

algumas formas de comunicação, tanto para a comunicação entre sensores como entre o

dispositivo móvel e o nó principal.

A evolução da tecnologia deu origem ao aparecimento de várias alternativas e protocolos que

permitem a transmissão de dados sem fios. Desde então existem quatro grandes grupos

responsáveis pelos standards IEEE (Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrónicos – Institute of

Electrical and Electronics Engineers). Esta é uma organização profissional sem fins lucrativos,

promovendo o desenvolvimento tecnológico para o bem da sociedade [4].

O IEEE, como pode ser verificado na figura 2.2, divide as redes sem fios em:

WPAN (Rede de Área Pessoal Sem Fios – Wireless Personal Area Network (802.15)) – São

destinadas para sensores/redes sem fios de curto alcance. Tivera início com o Bluetooth

(802.15.1) que teve um grande impacto no envio de dados através dos telemóveis

tornando-se bastante popular. Além de ser uma tecnologia de baixo custo, também

permitiu a comunicação entre computadores, telemóveis e outros dispositivos móveis. O

protocolo 802.15.2 é um outro subgrupo que trata, principalmente, das interferências

criadas pela frequência de trabalho 2.4GHz do WLAN e WPAN. Já o protocolo 802.15.4 tem

como preocupação o estudo de versões de baixo custo e de baixa taxa de transferência de

dados, o qual é bastante usado nas redes em Malha para controlo de sensores, permitindo

assim um consumo reduzido, levando as baterias a durarem meses ou anos. [5] [6]

WLAN (Rede de Área Local Sem Fios – Wireless Local Area Network (802.11)) – Este grupo

teve e continua a ter um papel importante na evolução das tecnologias sem fios,

possibilitando a interconectividade entre as redes WPAN e WLAN. Cada dispositivo que se

conecta a uma WLAN pode ser dividido em duas categorias: Ponto de Acesso e Cliente. Por

exemplo, os encaminhadores, são um Ponto de Acesso, sendo o seu principal objetivo

receber e reenviar o sinal, enquanto que o Cliente pode ser um portátil, um telemóvel,

impressora, etc. [7]. Um dos principais utilizadores deste grupo é o Wi-Fi.

WMAN (Rede de Área Metropolitana Sem Fios – Wireless Metropolitan Area Network

(802.16)) – Tal como nas redes WLAN existe um principal utilizador das redes WMAN, que

é o caso do WiMAX. Este grupo é responsável por fornecer uma ligação para uso doméstico

ou empresarial através de um único Ponto de Acesso. [5] [6]

- 12 -

WWAN (Rede de Área Mundial Sem Fios – Wireless Wide Area Network) – Este grupo tem

como foco principal a rede sem fios a longas distâncias, permitindo uma ligação regional,

nacional ou mundial. Este grupo é utilizado pelas operadoras móveis nas suas redes de

transmissão (GSM, CDMA, HSPA, etc.). [5] [6]

Figura 2.2 - Comunicação sem fios [8]

As redes WPAN e WLAN são as que têm mais enfase neste projeto. Como tal existem muitas formas

de comunicação e bastantes equipamentos/protocolos que podem satisfazer os requisitos pedidos.

De seguida será descrito a forma de trabalho e protocolos utilizados.

BLUETOOTH

O Bluetooth é uma tecnologia sem fios de baixo custo, baixo consumo e de curto alcance usada

para transferir dados entre diferentes tipos de dispositivos móveis e redes LAN. Hoje em dia, o

Bluetooth é utilizado na sua grande maioria para a comunicação entre dispositivos eletrónicos.

Criado por um grupo de engenheiros da Ericsson em 1994, acabando por se tornar oficial em 1998,

para ser uma alternativa sem fios aos cabos RS-232 (portas série), este opera numa banda não

industrial, científica e médica de 2.4GHz a 2.485GHz. A partir de então o desenvolvimento da

tecnologia permitiu ligação sem fios para chamadas de voz (mãos livres), impressoras /fax, relógios

inteligentes, sincronização automática com os PDA, teclados e ratos, entre outros. O Bluetooth

permite também a partilha de fotos, musica, vídeos, dados e voz, etc..

Desde 1998, até aos dias de hoje, a tecnologia Bluetooth tem vindo a evoluir, já contando com

quatro versões, sendo uma delas utilizada no desenvolvimento desta dissertação – Bluetooth 4.0

BLE (Bluetooth de Baixo Consumo – Bluetooth Low Energy). Bluetooth BLE é uma tecnologia

- 13 -

desenvolvida para consumir apenas uma fração de potência, quando comparado com outras

tecnologias Bluetooth. [9]

Esta tecnologia trabalha tipicamente com um dispositivo mestre (master) e um ou mais dispositivos

escravos (slaves), e a comunicação não necessita de ser direta entre dispositivos. Se um obstáculo

estiver entre eles ou caso não estejam perfeitamente alinhados, como é o caso da tecnologia

Infravermelho [10], não existirá perda de informação.

WI-FI

O Wi-Fi é um standard utilizado nas comunicações com o protocolo 802.11 (WLAN). Este

veio facilitar a comunicação através da internet, eliminando passagens de cabo, caso o

utilizador quisesse alterar a posição do seu computador. Através desta tecnologia foi

possível conectar vários dipositivos na mesma rede, como por exemplo, telemóveis,

tablets, impressoras, máquinas de lavar a louça ou roupa, etc.. Existem cinco versões de

comunicação [11]:

802.11a

802.11b

802.11g

802.11n

802.11ac

A comunicação 802.11a é a mais antiga e mais cara, o que levou a comunicação 802.11b a

ser mais utilizada. A sua velocidade de transmissão chegava no máximo até 11Mb/s e podia

ter um alcance de 400m em áreas abertas ou 50m em espaços fechados. À medida que a

tecnologia foi evoluindo, também a velocidade de transmissão foi aumentando. Na

comunicação 802.11ac, a velocidade de transmissão é de 1.3Gb/s.

Apesar de esta tecnologia ser de fácil utilização e instalação, normalmente é mais cara que

as opções de ligação por cabo e, o seu rendimento, é inversamente proporcional à distância

entre os dispositivos e o ponto de acesso, ou seja, quanto mais afastado estiver menos

“força” de sinal terá.

- 14 -

Dentro desta tecnologia, desenvolveu-se uma aplicação denominada Wi-Fi Direct. Esta é

uma comunicação entre dispositivos em que não é necessário acesso à internet, ou seja,

basta que dois dispositivos possuam uma placa Wi-Fi com essa tenologia, para poderem

partilhar informação.

NFC

A comunicação NFC (Campo de Comunicação Próximo – Near-Field Communication) tem

sido uma grande aposta utilizada, principalmente nos telemóveis. NFC é um standard

definido pelo Fórum NFC, um consórcio global de hardware, software, companhias de

cartões de crédito, bancos, provedores de internet, e outras instituições, com o intuito de

desenvolver esta tecnologia. [12]

A comunicação é de muito curto alcance e foi desenhada com o intuito de unir os

telemóveis e os cartões de crédito. Esta funciona quando dois dispositivos com NFC (ou um

dispositivo e um chip (TAG)) se tocam ou quando estão relativamente perto, cerca de 30cm

[13] e é estabelecida a ligação.

A utilidade do NFC passa por substituir, principalmente cartões de crédito, bilhetes de

avião, transportes públicos, leitura de uma Tag RFID (Identificação por Rádio-Frequência –

Radio-Frequency IDentification), etc., como por exemplo, obter a informação de um

eletrodoméstico, aproximando um telemóvel ao mesmo. [14]

Infravermelhos

A comunicação por infravermelhos é uma comunicação sem fios e ainda é bastante

utilizada, como por exemplo, nos comandos das televisões (os telemóveis mais recentes

ainda utilizam esta tecnologia, para substituir o comando), no controlo de carros

telecomandados, e foi usada durante algum tempo na transmissão de dados entre

telemóveis. Esta tecnologia foi suprimida pelo Bluetooth, pois a comunicação entre

dispositivos não é omnidirecional e o seu alcance é relativamente baixo, que em casos

bastante favoráveis pode chegar aos 10 metros. A sua intensidade é alterada quando existe

- 15 -

algum objeto entre os dois dispositivos, ou seja, é necessário que o emissor e o recetor

estejam praticamente alinhados, sem nenhuma perturbação pelo meio, para garantir que

a comunicação é realizada com sucesso. [10] [15]

ZigBee e Sinapse

Estes dois dispositivos de comunicação (ZigBee e Sinapse) são dois exemplos que usam o

mesmo tipo de protocolo de comunicação, o IEEE 802.15.4 (pertencente as WPAN). E são

muito utlizados em redes de sensores sem fios.

O ZigBee é uma tecnologia sem fios de baixo custo/consumo e funciona nas larguras de

banda de 2.4GHz, (“podendo nesta frequência utilizar até 16 canais com uma separação

entre portadoras de 5MHz” [16], como mostra a Figura 2.3), 900MHz e 686MHz. Este foi

desenvolvido pela ZigBee Alliance que teve como objetivo interligar vários objetos, como

lâmpadas, equipamentos de segurança, termostatos e termómetros, entre muitos outros

que se podem encontrar numa habitação. É também utilizado em aplicações onde a

velocidade de transmissão de dados não seja muito necessária, mantendo uma longa

durabilidade da bateria acoplada ao mesmo.

Figura 2.3 - Canais com separação entre portadoras [16]

O ZigBee tem como principais características o baixo consumo, baixo custo e de pequenas

dimensões. Devido às suas baixas potências e período de transmissão, o dispositivo

utilizado pode durar durante alguns anos com duas baterias tipo AA sem necessitar de

substituição (através dos modos Ativo e Adormecido (Sleep), pelo que consegue ter uma

eficiência elevada). É constituído por dispositivos finais, encaminhadores e coordenadores

e utiliza o protocolo IEEE 802.15.4, para tirar partido das camadas Física, MAC, da

- 16 -

frequência, da largura de banda e da técnica de modulação [17]. Esses dispositivos podem

ser agrupados em duas classes:

FFD (Dispositivos com Todas as Funções – Full Function Devices) que estão

permanentemente ativos e prontos para receber dados, geralmente estão ligados

a uma fonte de energia;

RFD (Dispositivos de Funções Reduzidas – Reduced Function Devices) que ao

contrário da FFD os dispositivos passam a maior parte do tempo adormecidos para

poupar a energia das baterias. [18]

O dispositivo tem integrado um módulo RF (Rádio-Frequência – Radio Frequency) que

normalmente é de curto alcance, mas como o ZigBee funciona com rede em Malha, permite

cobrir uma vasta área com os dispositivos. Este está estruturado em camadas seguindo o

Modelo OSI (Intercomunicação de Sistemas Aberto – Open Systems Interconnection). Para uso

comercial do ZigBee, o custo pode ser bastante elevado.

O Synapse proporciona uma plataforma de baixo custo e longo alcance. Pode ser utilizado

monotorização nas mais diversas aplicações e utilidades, tendo como especificações e

benefícios a utilização de rede em Malha com auto formação (multi-hop), comunicação

ponto a ponto, não é necessário a utilização de um coordenador, é programável através de

um sistema operativo de rede sem fios em Malha denominado SNAP (baseado em Python)

e possuí um microcontrolador independente, que pode ser programado Over-The-Air

(atualização sem necessitar de intervenção física diretamente no equipamento).

Este tem a facilidade de se poder adicionar um novo nó à rede sem que exista grandes

problemas pois, lida perfeitamente com a complexidade da rede em malha, bastando

indicar qual o canal em que se pretende que seja adicionado o novo nó e fica operacional.

Tem facilidade de se poder fazer testes rápidos, como já dito anteriormente, através da

atualização Over-The-Air, enviando novos scripts para o nó pretendido ou para todos os

nós da rede. Tal como no ZigBee, o Synapse também segue as camadas do modelo OSI. [19]

Através da figura 2.4, pode ser verificado o funcionamento da rede em Malha no estado

normal, ou quando um dos dispositivos falha.

- 17 -

Figura 2.4 - Exemplo tipo quando um nó deixa de funcionar [19]

O SNAP tem a desvantagem de possuir pouca informação em relação à sua utilização

(pouco feedback).

Outros tipos de comunicações

Para além das tecnologias acima apresentadas, existem muitas outras (que não vão ser

aprofundadas) que podem ser utilizadas com o mesmo intuito, como é o caso da Z-Wave

da Z-Wave Alliance, Libelium, Mi-Wi, iDom, X10, UPB, INSTEON. [20]

2.2 Redes de Sensores Sem Fios

As Redes de Sensores Sem Fios, ou WSN, como o nome indica são um conjunto de sensores que

estão ligados em rede. Estes podem, ou não, comunicar entre si, dependendo da topologia aplicada

a cada conceito, sendo a mais falada neste projeto a topologia em Malha. Esta permite que os

sensores comunicam entre si, enviando a informação recolhida pelo caminho mais próximo até ao

sensor principal/coordenador. Este tipo de tecnologia com o passar do tempo, com a utilização

pedida e pela investigação exercida, a tendência será que se torne cada vez mais barata e cada vez

mais pequena.

As WSN podem ter várias topologias, de acordo com o desejado, e cada nó possuí um

microcontrolador e/ou um microprocessador, um transmissor rádio (RF) e um ou mais sensores de

modo a proceder à recolha dos dados. Estes podem ser utilizados para fins medicinais, militares,

ambientais. O dispositivo, depois de obter a informação recolhida pelos sensores, poderá processar

essa informação de forma que seja só enviado o necessário para não existir um congestionamento

de mensagens na receção, ou ocupar muita largura de banda. Assim, pode ser enviado

separadamente as mensagens caso não seja necessário o envio constante de informação.

- 18 -

Posteriormente essa informação passará por vários nós adjacentes, pertencentes à rede, até chegar

ao nó principal. Este processo é repetido sempre que existir novos dados recolhidos pelos sensores.

As WSN são bastante diferentes dos outros tipos de redes, principalmente pelas suas aplicações,

equipamento, interações em diferentes ambientes, possibilidade de expansibilidade, energia, etc..

Estas têm de cumprir certos requisitos [21] [22]:

Tolerância a falhas – Os nós são propícios a falhas quer pelo ambiente onde estão inseridos

quer por operações autónomas, pelo que, para não existir falhas num nó, este tem que

conseguir ter um autodiagnostico, autocalibração e autorrecuperação;

Autonomia – O tempo de vida tem de ser bastante razoável, pois existem muitos cenários

em que é importante que a bateria dure um certo tempo, para evitar que o utilizador

troque as baterias dos seus dispositivos constantemente. Isto significa que os dispositivos

têm que ter uma limitação de potência, ou uma fonte de energia externa, como por

exemplo células fotovoltaicas, de modo a carregar as baterias para uma maior duração;

Baixo custo – Os componentes utilizados têm que ser significativamente baratos, pois como

se trata de uma rede, implica a compra de mais do que um dispositivo;

Tamanho reduzido – os nós podem ser utilizados em diferentes tipos ambientes, sendo que

por vezes é melhor que o tamanho do dispositivo seja pequeno impondo também uma

redução no consumo;

Autoconfiguração – Os sensores têm que ser capazes de se autoconfigurarem em caso de

falhas, quer dos próprios nós quer existam modificações na topologia da rede;

Segurança – A rede de sensores tem que ter mecanismos de segurança de modo a garantir

a privacidade do utilizador e também impedir acessos não autorizados ou ataques por parte

de piratas informáticos.

Fiabilidade – Para garantir que os dados cheguem corretamente ao seu destino e

inalterados, a rede tem que ter um controlo de erros e mecanismos de correção, pois a

mensagem pode sofrer alterações devido ao ruído, variações de tempo entre canais e

propagação de erros.

Qualidade de Serviço – Dependendo da aplicação pretendida para a rede de sensores, a

qualidade de serviço tem de variar, pois o serviço pretendido pode não querer dar

importância ao tempo de atraso da mensagem mas sim dar a uma mensagem perdida.

- 19 -

As WSN podem ser bastante utilizadas na Domótica (do latim Domus (Casa) + Robótica), que tem

como conceito a utilização da robótica, de forma a trazer a maior segurança e conforto nas

habitações. A sua utilização pode implicar a existência de sensores para controlo automatizado.

Os sensores podem ser utilizados também para fins comunitários. No caso concreto da empresa

IrRADIARE, a existência de uma rede de sensores que possam controlar a qualidade do ar, pode

tornar-se muito menos dispendioso do que instalar uma central de controlo, por exemplo, no

centro do Terreiro do Paço. [23]

2.2.1 Arquitetura das WSN

A maior parte dos dispositivos WSN têm uma arquitetura que segue o modelo OSI. Este modelo é

composto, como apresentado na figura 2.5, por sete camadas: Física, Data Link, Rede, Transporte,

Sessão, Apresentação e Aplicação. [24]

Figura 2.5 - Arquitetura de acordo com o Modelo OSI [25]

Camada Física

A camada física é a camada de mais baixo nível do modelo e tem como principal objetivo transmitir

ou receber um conjunto de bits para a camada Data Link. Transforma os impulsos elétricos em bits,

ou vice-versa, isto é, lida com interfaces mecânicas ou elétricas e com o meio de transmissão. Esta

camada é também responsável por dizer se a transmissão pode ser realizada nos dois sentidos

simultaneamente ou não.

- 20 -

Camada Data Link

Nesta camada os pacotes de dados são codificados e descodificados em bits. Esta deteta e corrige

erros que possam acontecer na camada física. Existe uma subcamada denominada MAC (Media

Access Control) que vai determinar quando é que o nó tem direito/permissão para aceder ou

transmitir. Controla também o trafego de mensagens de forma a impedir o congestionamento,

informando assim o recetor quando existe espaço no buffer para receber informação.

Camada de Rede

É definido como é que os pacotes de mensagens vão ser encaminhados até ao seu destino. Estes

podem ter um caminho estático/pré-definido ou um caminho dinâmico. O controlo de fluxo de

mensagens é feito nesta camada, pelo que fica responsável da qualidade de serviço, ou seja, é

responsável pelo tempo de resposta, instabilidade, tempo de envio, etc..

Camada de Transporte

É responsável também pela garantia da transmissão de dados de um nó para outro através de um

mecanismo de controlo de erro adaptado de acordo com a fiabilidade induzida pela camada de

aplicação. Esta camada assegura que toda a mensagem chegará corretamente ao seu destino,

podendo essa mensagem ser dividida em fragmentos caso necessário. O tipo de serviço pode ser

alterado quando a conexão é estabelecida, por exemplo, pode não ser pretendido que as

mensagens cheguem na ordem em que foram enviadas.

Camada de Sessão

Como o nome indica, a camada permite que diferentes dispositivos estabeleçam sessões entre eles,

mantendo uma sincronização de modo a garantir que, se existir uma falha, a transmissão seja

retomada do ponto onde ocorreu a falha.

Camada de Apresentação

A seguinte camada está vocacionada para a sintaxe e semântica das informações transmitidas,

tornando possível a comunicação entre dispositivos com diferentes representações de dados.

- 21 -

Camada de Aplicação

A camada de Aplicação é a camada que está mais relacionada com o utilizador final, por exemplo,

no caso de um utilizador procurar uma página de internet, é enviado um pedido ao servidor,

utilizando o protocolo HTTP, que posteriormente apresenta a página desejada ao utilizador.

2.2.2 Arquitetura ZigBee e Sinapse

As principais escolhas recaem sobre o ZigBee e o Synapse. Ambos seguem o modelo OSI

apresentado acima, com umas pequenas modificações de acordo com os protocolos criados pelos

dois (estes têm a arquitetura apresentada na Figura 2.6).

Figura 2.6 - Semelhanças do modelo OSI utilizadas no ZigBee [26]

No caso do ZigBee a camada física e MAC estão definidas de acordo com o protocolo IEEE 802.15.4,

que trata das operações de modulação e desmodulação dos sinais transmitidos e recebidos,

respetivamente. A tabela 2.1 demonstra os valores típicos da camada física.

Tabela 2.1 – Frequências típicas da camada física [27]

Espaço Velocidade Num. De Canais

2.4GHz Universal 250kbps 11-26

868MHz Europa 20kbps 6

915MHz América 40kbps 1-10

- 22 -

A camada de MAC é responsável pela transmissão de dados acedendo a diferentes endereços com

CSMA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance).

A camada de Rede é descrita pelos fabricantes dos dispositivos que normalmente é denominada

por camada ZigBee, onde são também apresentados os mecanismos de encriptação. Esta é

responsável pelo encaminhamento, configurações dos dispositivos e conexão dos dispositivos

finais.

A camada de aplicação está dividida em três partes: subcamada de aplicação (APS), aplicação

Framework (AF) e dispositivos finais. A camada contém a aplicação que corre na camada de rede,

sendo que um nó pode conter mais do que uma aplicação, como por exemplo, uma para medir

temperatura, outra para medir a pressão e outra para medir a humidade. A subcamada APS pode

disparar instruções necessárias para a aplicação específica, de modo a que seja executada uma

ação, como por exemplo, ligar um LED. [20] [28] [29]

Por outro lado, a arquitetura do SNAP (Synapse Network Application Protocol) foi criada de modo

a que o utilizador, mesmo que não tenha o mínimo de conhecimento acerca de redes sem fios

possa, mesmo assim, utilizá-la e criar aplicações que executem nos nós pretendidos. Uma visão de

mais alto nível da arquitetura do SNAP é representada na figura 2.7, que foi desenhada de forma a

correr com a máxima eficiência num microcontrolador de 8bits.

Figura 2.7 - Arquitetura Synapse [19]

A camada física e a camada MAC, tal como anteriormente explicado no ZigBee, também elas estão

definidas através do protocolo IEEE 802.15.4. As restantes camadas permitem que o utilizador final

possa desenvolver aplicações que vão ser compiladas na Máquina Virtual SNAPpy (SNAPpy Virtual

- 23 -

Machine). No caso da camada de Aplicação, é o utilizador que cria a sua própria aplicação. A

subcamada SNAP RPC (Remote Procedure Call) é bastante importante pois, permite que o utilizador

invoque funções presentes noutros nós, através da rede em que estão ligados.

Como o Synapse é um produto em desenvolvimento (apesar de já possuir alguns produtos para

comercialização) ainda não existe muita informação do mesmo, ficando sem conhecimento do que

realmente se processam as restantes camadas.

2.2.3 Encaminhamento de mensagens

Nas WSN o tipo de encaminhamento de mensagens é um pouco diferente dos encaminhamentos

convencionais em redes fixas. Existem muitos fatores que são mais importantes para as WSN do

que para as redes convencionais, como por exemplo, a inexistência de uma infraestrutura, os nós

dos sensores podem falhar, a rede tem que ser escalável, heterogénea e existe ainda muitos

requisitos em relação à utilização de energia.

Existem alguns protocolos para o encaminhamento de mensagens definidos para este tipo de

redes, podendo ser divididos em protocolos: baseados na localização (Location-based Protocols),

baseados em hierarquia (Hierarchical-based Protocols), baseados na mobilidade (Mobility-based

Protocols) e oportunistas. [30] [31] [32]

No ZigBee, o encaminhamento de mensagens utiliza um algoritmo Cluster-Tree ou uma

simplificação do algoritmo AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) – o algoritmo AODVjr (figura

2.8).

A simplificação do algoritmo AODV tem em conta o baixo custo e consumo. Este não utiliza um

número de série do nó de destino, mas estimula a localização do nó de destino através de um único

pacote que este é capaz de responder, ou seja, mesmo que passe por outros nós, somente o nó de

destino é que irá responder.

Figura 2.8 - Algoritmo AODVjr [33]

- 24 -

No Synapse, no encaminhamento de mensagens, é utilizado um protocolo oportunista. Este não

utiliza nenhum protocolo de encaminhamento de mensagens específico, apenas invoca funções

RPC usando o endereço de cada nó da rede. O sistema de encaminhamento de mensagens adotado

SNAP foi um sistema ad-hoc baseado no Standard DYMO (Dynamic Manet On-demand). O

protocolo DYMO tem como principais operações a descoberta e gestão. A operação de descoberta,

como o nome indica, serve para detetar qual o nó destino, que quando é reconhecido, envia uma

mensagem de volta pelo mesmo percurso. Quando o nó que fez o pedido receber essa resposta,

estabelece a ligação entre eles [34]. Este protocolo é bastante idêntico ao algoritmo AODV usado

no ZigBee.

Os caminhos são pré estabelecidos assim que necessário e, o estado da rede, é constantemente

atualizado através de tabelas que especificam quando existe alterações na rede. O SNAP, de forma

a lidar com efeitos dinâmicos dos RF, suporta Link Quality (figura 2.9) baseados em parâmetros de

encaminhamento, isto é, o SNAP identifica todos os nós presentes na rede com diferentes pesos

relativos, sendo esse peso determinado pelo canal, largura de banda e intensidade do sinal. De

acordo com o resultado, é escolhido o caminho a percorrer para que a informação chegue

corretamente ao seu destino. [35] [36]

Figura 2.9 - Algoritmo utilizado pelo Synapse [37]

A principal função do encaminhamento de mensagens no SNAP é a capacidade de gestão das rotas

armazenadas na RAM de cada nó, aumentando assim a velocidade da formação das novas rotas e

minimizando o número de pedidos a todos os nós para saber qual o que tem menos peso. No caso

do módulo RF200 suporta até 100 entradas, para armazenamento das rotas.

- 25 -

2.2.4 Segurança

A segurança é um tema bastante importante quando se faz um projeto de redes sem fios, pois os

utilizadores não querem os seus dados expostos e disponíveis para todos, nem querem receber

dados que não sejam fidedignos, com a possibilidade de piratas informáticos os intercetarem e

alterá-los. Desde 1990 que os algoritmos de segurança têm sofrido bastantes atualizações.

Os tipos de segurança mais conhecidos são utilizados pela tecnologia Wi-Fi, mais concretamente o

WEP (Wired Equivalent Privacy), WPA (Wi-Fi Protected Access), WPA2 (Wi-Fi Protected Access II).

No WEP a segurança não era propriamente forte devido a certas restrições que naquele tempo

existiam, pois só permitiam que o tamanho da chave fosse até 64bits. Após essas restrições, passou

a ser possível uma chave até 256bits. Mas, posteriormente veio a ser publicado a facilidade que era

desencriptar uma chave feita com este algoritmo.

O WPA2, como se pode verificar é uma evolução do WPA pois, tal como o WEP, o WPA apesar de

utilizar um algoritmo de encriptação TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), também a sua

segurança foi comprometida. Já o WPA2 veio melhorar a segurança dos utilizadores e dificultar os

piratas informáticos, devido ao seu algoritmo de encriptação AES (Advanced Encryption Standard).

Mas ainda assim é possível derrubar esta encriptação, sendo necessário que os piratas informáticos

gastem cerca de duas a catorze horas e que tenham um computador capaz de processar bastante

informação. [38]

Nesta dissertação existem dois tipos de segurança, a segurança na privacidade do utilizador e a

segurança na integridade das mensagens. Sendo que a melhor forma de garantir toda a segurança,

passa principalmente pela encriptação das mensagens.

Existem vários mecanismos de encriptação, como por exemplo, SHA (Secure Hash Algorithm), MD5

(Message-Digest algorithm 5), AES, TKIP, entre outros.

O SHA e o MD5 usam funções Hash. Estas funções são também conhecidas como encriptações de

um único sentido, sendo que um valor único de Hash, de comprimento fixo, é calculado com base

no texto que se quer encriptar, o que torna impossível (até à data) reverter a situação. Esta

encriptação funciona como uma impressão digital única e têm um uso muito comum na encriptação

de palavras passe. Nos casos específicos, o MD5 foi desenvolvido pelo Ron Rivest que gera,

independentemente do tamanho da mensagem a encriptar, valores Hash de 128bits. O SHA,

também desenvolvido pelo Ron Rivest, é bastante idêntico ao MD5 sendo um pouco mais forte e

possuí diferentes tamanhos de valores Hash pelo que pode ser SHA-1, SHA-224, SHA-256, SHA-384

- 26 -

e SHA-512, tendo um tamanho de 160, 224, 256, 384 e 512 bits respetivamente. Este tipo de

encriptação funciona para garantir uma autenticação segura para o utilizador que, quando

registado, é gerada uma chave Hash única para cada um dos dados enviados, ou seja, uma para o

nome de utilizador e outra para a palavra passe. [39] Supondo uma palavra passe como “David”, a

chave de encriptação gerada é:

0f4e49e88d2b8b8501a4ba7a2a320a1e496c2d4a1d1cba1c068822cf690a339349fdc3d3d8545f972

36e3f07f9cf40eefd8f590ca3f8aea4919adef66361b506

O AES é composto por três blocos de cifras, o AES-128, AES-192 e AES-256, que cada um encripta e

desencripta as mensagens em blocos, usando chaves com tamanho de 128, 192 e 256 bits,

respetivamente, necessitando também de uma grande capacidade de processamento. [40] O

protocolo 802.15.4, utiliza um algoritmo de encriptação denominado AES (Advanced Encryption

Standard) com uma chave de encriptação de 128 bits o que perfaz uma complexidade

computacional de 2126.1. Assim os dados enviados entre os dispositivos, ou seja, os dados recolhidos

pelos sensores e enviados pela rede (sem fios) até chegar ao dispositivo principal, não ficam

facilmente acessíveis a qualquer pessoa que os tente intercetar.

No caso da página de internet, a comunicação feita entre servidor e a própria página, que é

executada por serviços Web (são serviços que respondem a perguntas previamente definidas), está

protegida com um método de encriptação denominado SSL (Secure Sockets Layer). Normalmente,

sem este tipo de proteção os dados enviados entre clientes e serviços Web são vulneráveis, pois

são enviados como texto dito “normal”. Com o protocolo de segurança SSL, o algoritmo encripta

todo o tipo de informação que passe entre eles. [41]

2.2.5 Recolha de Energia (Energy Harvesting)

No que toca à rede de sensores sem fios, é importante que o consumo de energia seja bastante

reduzido, de modo a maximizar o tempo de vida das baterias. Os dispositivos que foram

dimensionados para trabalhar numa WSN consomem muito pouca energia, dependendo do

fabricante e do tipo de processamento que tenha que executar.

Supondo que a bateria duraria um ano, sem ser necessária a intervenção humana para a carregar,

se fossem utilizadas fontes externas para carregar a bateria, logicamente duraria muitos anos. Isto

depende do tipo e de quantas fontes de energia externa seriam necessárias para manter o

dispositivo a trabalhar durante anos sem ser necessário nenhuma intervenção.

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Figura 2.10 - Modelo comum de Recolha de Energia [42]

Existem muitos modelos de recolha de energia, seguindo sempre o modelo representado na figura

2.10. Um exemplo de um dos modelos em estudo está apresentada na figura 2.11 que como se

pode observar, a energia pode ser usada diretamente para o sensor (caso necessite de energia para

funcionar). Este tem incluindo também uma bateria, de forma que, se a recolha de energia

(proveniente de uma célula pucovoltaica, por exemplo) não for suficiente para alimentar o sensor,

será retirado energia da bateria. Mas quando a energia recolhida é em demasia para o

funcionamento do sensor, existe um controlo de energia, em que certa parte irá para o sensor e a

restante será armazenada na bateria. [43] [42]

Figura 2.11 - Modelo de Recolha de Energia [42]

- 28 -

2.3 Sensores

“Tal como acontece com muitas tecnologias, as aplicações de defesa têm sido um motor de

pesquisa e desenvolvimento nas redes de sensores.” [44]. Com o passar dos anos os sensores têm

evoluído cada vez mais e foram abrangendo as mais diversas áreas de investigação de modo a

facilitar e a controlar tudo à sua volta. Como pode ser verificado na figura 2.12, demonstra as suas

aplicações de acordo com o passado e o presente, através da procura de mercado, relacionado com

a energia consumida por sensor.

Figura 2.12 - Evolução na utilização da Rede de Sensores [45]

Os sensores são uma mais-valia para a sociedade e com a evolução da Internet das Coisas, mais do

que nunca, a sua utilização tem vindo a expandir-se, como por exemplo, na segurança das casas,

meio militar. Neste capítulo serão mencionados alguns sensores existentes, principalmente na

perspetiva da empresa IrRADIARE.

2.3.1 Tipos de sensores

Existem muitas aplicações para a utilização dos sensores e, para tal, tem que existir diferentes tipos

de sensores para cada uma das aplicações desejadas, pelo que para entender as WSN é necessário

compreender um pouco do funcionamento dos sensores. [45]

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Os sensores são dispositivos que convertem um parâmetro físico como temperatura, fluxo

sanguíneo, humidade, pressão, etc., num sinal elétrico de modo a ter essa informação em formato

digital. Os sensores podem ser escolhidos de acordo com os seguintes critérios [46]:

Precisão – os dados recolhidos têm que ter um mínimo de precisão para não ocorrer erros

de leitura;

Condições atmosféricas – é necessário ter em conta qual o tipo de ambiente a que os

sensores vão ficar expostos, pois existem limites mínimos e máximos para os quais estão

dimensionados;

Alcance – as medições feitas pelo sensor podem conter um limite mínimo ou máximo,

dependendo do tipo de sensor.;

Custo – o critério qualidade/preço tem que ser bem estudado;

Calibração – as leituras podem sofrer alterações ao longo do tempo, quer seja por desgaste,

quer seja pelas condições a que estava exposto.

A maior parte dos critérios acima descritos podem ser confirmados no Datasheet de cada sensor,

ato a ser executado após a escolha do tipo de sensor.

Sensor de temperatura

O sensor de temperatura é sem dúvida um dos mais utilizados em qualquer área. Está presente em

praticamente todos os dispositivos, podendo ser mecânico ou eletrónico, requerendo ou não

contato físico direto com o dispositivo. O comportamento do sensor de temperatura é equivalente

ao termómetro de mercúrio, em que o mercúrio expande e contrai consoante a temperatura. Entre

eles estão termostato e termostato bi-metálico, termístor, RTD (Resistive Temperature Detector),

termopar (Thermocouple), como apresentado na figura 2.13.

Os termopares são bastante eficazes quando se quer medir grandes diferenças de temperaturas,

como por exemplo de zero a quinhentos graus centigrados. Estes têm um tempo de resposta

significativamente baixo e, a sua precisão, pode ser inferior a um grau, dependo do fabricante. Os

termopares são, basicamente, dois fios (exatamente do mesmo material) que a extremidade fusão

está exposta, de forma a medir a temperatura. As pontas são então ligadas a terminais que através

da corrente que passa pelo fio, gera uma diferença de potencial, cujos valores podem ser

consultados no Datasheet do material. Como é o caso de um termopar do tipo-k 3 que, por

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exemplo, se a temperatura for de 20 graus centigrados então a diferença de potencial é igual a

0.919mV. [47]

Os RTD são relativamente mais caros que os termopares. Estes são utilizados para medições exatas

da temperatura com um erro de ± 0.019 graus centígrados e possuem um menor alcance.

Os termístores são praticamente iguais aos RTD, sendo que a sua principal diferença é que

requerem uma tensão de excitação ao invés de corrente de excitação necessária para os RTD. O

seu erro absoluto é de ± 0.05 graus centígrados e são mais baratos que os RTD.

Figura 2.13 - Tipos de Sensores (Termopar, RTD, Termístores respetivamente) [48] [49] [50]

Sensor UV (Ultra Violeta)

Os sensores Ultra Violeta (figura 2.14), medem a intensidade ou potência incidente de raios Ultra

Violeta no sensor. Estes sensores servem, por exemplo, averiguar se a exposição ao sol (numa praia)

num certo período horário é, ou não, prejudicial para a pele humana, pois esta é uma radiação que

tem uma largura de banda que não é visível ao olho humano. O sensor UV tem também diversas

aplicações em automóveis, farmácia, robótica, entre outros. É usado um diamante policristalíno,

que a luz incidente nele é refletida para um detetor que vai detetar a intensidade da radiação UV

presente. [51]

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Figura 2.14 - Sensor UV [52]

Sensor de Monóxido de Carbono

Ao contrário do que se pensa, o dióxido de carbono não é o gás mais preocupante quando se trata

da saúde da população em geral. O monóxido de carbono é um gás incolor e inodoro que pode

matar repentinamente. Normalmente estes sensores (figura 2.15) são usados em parques

subterrâneos, túneis, oficinas, etc. O princípio de funcionamento é igual ao dos sensores de

temperatura, mas este tem um semicondutor de metal óxido, que altera a resistência interna de

acordo com a quantidade de monóxido de carbono existente. Essa alteração faz disparar um relé

que normalmente ativa as ventoinhas das condutas de ar. [53]

Figura 2.15 - Sensor de Monóxido de Carbono [54]

Existem muitos outros sensores, que não serão falados pormenorizadamente, mas todos têm

praticamente o mesmo princípio, que passa por alterar a corrente elétrica (através da resistência

interna dos sensores) criando uma queda de potencial aos seus terminais, que posteriormente com

os valores fornecidos pelo Datasheet do fornecedor, pode-se obter um valor conhecido aos olhos

do utilizador. Alguns dos outros sensores mais conhecidos são mencionados em baixo:

Sensores de som

Sensores de vibração;

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Sensores de deformação;

Sensores de movimento;

Sensores de luminosidade;

Sensores de pressão;

Sensores de humidade;

Sensores de fumo;

Sensores de presença;

Sensores de proximidade;

Sensores indutivos;

Sensores capacitivos.

As seguintes secções estão apresentadas de forma a contextualizar todo o projeto, pois serão

utilizados termos que estão descritos mais pormenorizadamente na dissertação Ponto de Acesso

Móvel em Ambiente Sensorial, realizado por José Ricardo de Lima Abrantes.

2.4 Plataformas para telemóveis

Os sensores, após recolherem os dados necessitam de os enviar para a Cloud, permitindo que o

utilizador possa aceder a essa informação. Para tal, é utilizado o telemóvel como meio

intermediário para recolher